Suzie Model One: высокоточный станок для резки печатных плат

Компоненты и материалы

Arduino UNO	×	1 шт.
Драйвер Pololu A4988	×	1 шт.

Необходимые инструменты и оборудование

• 3D-принтер bq Prusa i3

Программное обеспечение и онлайн-сервисы

• GRBL (прошивка для CNC)

О проекте

Введение

SUZIE MODEL ONE создан для фрезеровки печатных плат. Цель — жёсткая, точная и максимально автоматизированная машина. На данный момент единственные ручные операции — смена фрез и установка Z-зонда.

Машина — результат процесса проб и ошибок: множество деталей перепроектировались и переделывались для достижения лучшего результата. Главная проблема — жёсткость: если станок недостаточно жёсткий, он изгибается при фрезеровке, и результат бракуется. Вторая проблема — дрожание при прохождении углов. Можно снизить скорость, но время — деньги, а некоторые режимы резки работают лучше именно на оптимальной скорости.

Подробнее см. в Instagram по тегу #suziecnc.

Габариты

• Внешние размеры: 46 см (ширина) × 62 см (длина, рабочая — 43 см) × 58 см (высота с кабель-каналом)
• Рабочая зона: ~20 см (X) × 20 см (Y) × 6 см (Z)

Вид станка

Оси X и Y: крепление шаговых двигателей и люфт

У SUZIE нулевой люфт по осям X и Y без компенсации в прошивке. Это достигнуто использованием ремней вместо винтовых пар. Винтовая пара требует зазора между гайкой и винтом, который со временем увеличивается из-за износа, и компенсировать неравномерный износ невозможно. Ремни достаточно прочны для резки металла и при правильном натяжении не имеют заметной эластичности.

Обе оси используют одну технику передачи усилия: ремень закреплён на обоих концах, а шаговый двигатель движется по нему как зубчатое колесо по зубчатой рейке.

По оси X шаговый двигатель закреплён на каретке и движется вместе с ней, ремень закреплён на раме.

Портал оси Y

По оси Y используется обратная схема: двигатель закреплён на раме, ремень движется вместе с порталом. Это позволяет практически неограниченно увеличивать длину портала Y без изменения конструкции станка — рельсы на подвижном портале, подшипники на статичной основе. Все вертикальные и боковые усилия передаются на базу на сжатие, обеспечивая высокую жёсткость.

Ось Z и винтовая пара

Ременная передача на оси Z опасна: при отключении питания шпиндель упадёт под своим весом, повреждая фрезу, мотор или заготовку. Поэтому использована винтовая пара.

Винт и гайка изготовлены под заказ. Винт выточен на старом ручном токарном станке в метрической системе с нестандартным шагом для синхронизационного шкива. Гайка 3D-печатная, без зазора (работает на обильном смазывании).

Конструкция каретки XZ имеет некоторый люфт (2-3 мм при ручном давлении) из-за изгиба направляющих. Механическое решение — увеличение жёсткости, программное — снижение скорости погружения. Для мягких материалов максимальная скорость подходит, для латуны приходится замедлять.

3D-печатные детали

Станок возможен только благодаря 3D-печати: доступные инструменты не позволяли изготовить сложные детали (опоры двигателей и др.) вручную. Все детали печатались многократно для улучшения функций и жёсткости. Печатные детали снижают общую жёсткость, но делают станок компактнее.

Arduino, GRBL, шилд, шпиндель и зонд

Мозг SUZIE — Arduino Uno с прошивкой GRBL. Первый шилд на L298N/L297 был горячим и шумным. Переход на Pololu A4988 с микрошагами убрал перегрев и шум. Плата собрана на макетной плате, практически все соединения GRBL выведены. Прошивка обновлена до GRBL 1.1f — работает очень плавно.

Недавно установлен бесколлекторный шпиндель (dmw57314) с управлением от Arduino — гораздо тише дремеля.

Z-зонд — простая кнопка, срабатывающая при касании фрезой. Обеспечивает высокую точность установки нуля по Z, критичную для фрезеровки плат. Повторяемость отличная.

Заключение

SUZIE MODEL ONE — отличный учебный проект. Много проблем решено, характеристики улучшены. Дальнейшее улучшение этой конструкции нецелесообразно. SUZIE MODEL TWO будет металлической, сохранит лучшие решения и устранит недостатки модели One.

Код

GRBL

https://github.com/gnea/grbl/wiki

Схемы

Подключение GRBL

https://github.com/gnea/grbl/wiki/Connecting-Grbl